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基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计

摘要：本文介绍了平行耦合微带线带通滤波器的电路结构，阐述了设计带通滤波器的方法，最后给出了相对带宽为10%的滤波器设计的实例及仿真分析结果，证明了该方法的可行性和便捷性。
关键词:ADS;微带线；带通滤波器；优化

0引言
微带滤波器具有小型化、高性能、低成本等优点，在射频电路系统设计中得到广泛的应用。其主要技术指标包括传输特性的插入损耗及回波损耗，通带内的相移与群时延，寄生通带等参数。传统的设计方法是通过经验公式和查表来求得相关参数，方法繁琐且精度不高。近年来，随着射频CAD软件的不断发展，微带滤波器的设计也进入了一个全新的阶段。借助CAD软件可以避开复杂的理论计算，进一步精确和调整设计参数，确保设计出的滤波器特性符合技术要求。本文通过ADS软件对平行耦合微带线带通滤波器进行优化仿真设计，证明了该方法的可行性和便捷性。

1微带带通滤波器的理论设计方法
1.1微带带通滤波器主要指标和基本设计思想
微带滤波器的主要技术指标包括以下几个:
(1)通带边界频率与通带内衰减、起伏,以及阻带边界频率与阻带衰减;
(2)通带的输入电压驻波比;
(3)通带内的相移与群时延;
(4)寄生通带,它是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的,即离设计通带一定处又产生了通带。
微波带通滤波器应用广泛,结构多样,但以微带线实现带通滤波器的结构种类有限,为此,本文以平行耦合微带线为例来设计微带带通滤波器。由于单个带通滤波器单元不能提供良好的滤波响应及陡峭的通带-阻带过渡,而通过级连基本的带通滤波器单元则可以得到高性能的滤波效果。图1所示是一种多节耦合微带线带通滤波器的结构示意图,这种结构不要求对地连接,因而结构简单,易于实现,这是一种应用广泛的滤波器。整个电路可以印制在很薄(小于1mm)的介质基片上;其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟,但采用高介电常数的介质基片则可使线上的波长比自由空间缩小几倍;此外,整个微带电路元件共用一个接地板,且只需由导体带条构成电路图形,因而结构大为紧凑,大大减小了其体积和重量。
多节耦合微带线带通滤波器的结构示意图
图1多节耦合微带线带通滤波器的结构示意图

1.2平行耦合微带线带通滤波器的理论设计方法
平行耦合微带通滤波器单元特性
平行耦合微带线带通滤波器的基本单元如图1所示。每条微带线的宽度为W，微带之间的距离为S，相互耦合部分的长度为L。单个长平行耦合微带线单元具有典型的带通滤波器的特性，但不能提供良好的滤波器响应及陡峭的通带到阻带的过渡。如果将多个耦合微带线单元级联可构成高性能的带通滤波器，具有良好的滤波特性。

图2耦合微带线基本单元
1.2.2设计步骤
(1)选择标准低通滤波器参数。根据需要的衰减和波纹，
通过查表选择合适的标准低通滤波器参数

(2)根据上边频和下边频，确定滤波器相对带宽。

(3)根据相对带宽确定耦合微带线各节偶模和奇模的特性阻抗
(2)
(3)
（i从1到n-1）(4)
(5)
(6)
其中下标i,i1表示耦合段单元，取50，是滤波器输入、输出端口的传输线特性阻抗。
(4)确定微带线的实际尺寸。
根据得到的各节微带线的奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，传统的方法是通过查表计算得到其几何尺寸，本文是利用ADS自带的LineCale工具计算其实际几何尺寸。

2基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器设计实例

2.1设计指标
(1)带通滤波器中心频率2GHz；
(2)通带；
(3)通带内衰减小于2dB，起伏小于1dB，端口反射系数小于-15dB；
(4)1.7GHz以下及2.3GHz以上衰减大于20dB,通带内输入驻波比小于2dB;
(5)微带线基板的厚度选为0.8mm，基板的相对介电常数选为4.3。

2.2ADS的设计及优化
根据1.7GHz频率点的衰减大于20dB的要求可以确定低通原型滤波器的阶数:首先将1.7GHz这个频率转换到归一化低通形式（=1）：
这个值在图上横向标度是：，查表得滤波器的阶数=3,带内波纹为0.5dB的Chebyshev滤波器原型参数为：1.5963,1.0967,1.5963，1.0000。利用公式(5)和(6)求出平行耦合微带线的奇模、偶模特性阻抗，计算结果如表1所示。
n10.313739.270.620.118744.856.630.118744.856.640.313739.270.6表1耦合微带线的奇模、偶模特性阻抗

利用ADS软件进行优化设计，在ADS原理图板块中选择Mcfil、MLIN及MSUB等元件模拟微带线进行布局，并将其连接好，插入VAR变量控件、S参数仿真控件和Goal优化控件，得到微带线带通滤波器的优化原理图如图3所示。
设置控件MSUB参数时，可选基片厚度0.8mm，介电常数4.3，